| CFTR | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 識別子 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| エイリアス | CFTR、ABC35、ABCC7、CF、CFTR/MRP、MRP7、TNR-dJ760C5.1、嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子、CF膜コンダクタンス制御因子 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 外部ID | オミム:602421; MGI : 88388;ホモロジーン: 55465;ジーンカード:CFTR; OMA :CFTR - オルソログ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| EC番号 | 5.6.1.6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| ウィキデータ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子(CFTR)は、CFTR遺伝子によってコードされる脊椎動物の膜タンパク質および陰イオンチャネルである。[5] [6]
遺伝学者ラップ・チー・ツィと彼のチームは1989年にCFTR遺伝子が嚢胞性線維症(CF )に関連する遺伝子であることを特定した。 [7]
CFTR遺伝子は、塩化物イオン[8]と重炭酸イオンを上皮細胞膜を通して伝導するABCトランスポータークラスのイオンチャネルタンパク質をコードしています。陰イオンチャネル機能に影響を与えるCFTR遺伝子の変異は、肺、膵臓、その他の臓器の上皮内層液(粘液)輸送の調節不全につながり、嚢胞性線維症を引き起こします。合併症には、頻繁な呼吸器感染症を伴う肺の粘液肥厚、および栄養失調と糖尿病を引き起こす膵機能不全があります。[9]これらの状態は、慢性的な障害と平均余命の短縮につながります。男性患者では、発達中の精管(精索)と精巣上体の進行性の閉塞と破壊は、異常な管腔内分泌物に起因すると考えられ、[10]精管の先天性欠損と男性不妊を引き起こし、脂肪酸の不均衡との関連が判明しています。[11]
組織および細胞内の局在
CFTRは、肺、肝臓、膵臓、消化管、女性生殖器官[12] 、精巣、セルトリ細胞、精子[13] 、精巣上体[14] 、精管[15]を含む男性生殖器官の上皮細胞に存在します。
肺の気道では、CFTRは肺イオン化細胞と呼ばれる稀な特殊細胞で最も多く発現しています。[16] [17] [18]皮膚では、CFTRは皮脂腺とエクリン汗腺で強く発現しています。[19]エクリン腺では、CFTRはこれらの汗腺の管を構成する上皮細胞の頂端膜に位置しています。[19]
通常、タンパク質は塩化物、重炭酸塩、チオシアン酸塩[20] イオン(負に帯電)を上皮細胞から気道表面液と粘液に移動させます。正に帯電したナトリウムイオンが受動的に追従し、粘液中の総電解質濃度を増加させ、浸透圧によって細胞から水が移動します。
気管支と卵管の内側を覆う運動性繊毛を持つ上皮細胞では、CFTRは繊毛上ではなく頂端細胞膜上に位置する。[12]対照的に、ENaC(上皮性ナトリウムチャネル)は繊毛の全長に沿って位置している。[12]
汗腺では、CFTRの欠陥により吸収管における塩化ナトリウムとチオシアン酸ナトリウムの輸送が減少し[21] 、汗の塩分濃度が高くなります。これが嚢胞性線維症の臨床的に重要な汗検査の基礎であり、遺伝子スクリーニングと併せて診断によく使用されます。[22]
遺伝子

ヒトCFTRタンパク質をコードする遺伝子は、7番染色体の長腕q31.2の位置にあります。[6]塩基対116,907,253から塩基対117,095,955まで。CFTR相同 遺伝子[23]は顎脊椎動物に存在します。[24]
各個人は、 CFTR(嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子)遺伝子のコピーを2つ受け継いでいます。しかし、受け継いだコピーの一部は変化しています。これまでに、 CFTR遺伝子は700以上の異なる変異と関連しています。嚢胞性線維症の患者は、CFTR遺伝子の欠陥のあるコピーを2つ受け継いでいます。これらの変異は、2つの異なる変異を含むヘテロ接合性の場合もあれば、同じ変異を含むホモ接合性の場合もあります。[25] Delta F508は最も一般的な変異で、すべての変異の70%以上を占めています。Delta F508のホモ接合性の人は、膵機能不全によく罹患します。[26]
CFTR遺伝子は、動物において核DNA系統マーカーとして利用されてきた。[23]この遺伝子の大規模なゲノム配列は、哺乳類の主要グループの系統発生を調査するために利用されてきた。 [27]そして、有胎盤目が4つの主要な系統群、すなわち異節目、アフリカ獣類、ローラシア獣類、および真節足動物門とグリレス類に分類されることが確認された。
突然変異
嚢胞性線維症を引き起こす突然変異は、約1000種類報告されています。[28]最も一般的な突然変異であるDeltaF508(ΔF508)は、主に3つのヌクレオチドの欠失(Δ)から生じるプロセシング突然変異として知られており、タンパク質の508番目の位置にあるアミノ酸フェニルアラニン(F)が失われます。 [29]その結果、タンパク質は正常に折り畳まれず、より速く分解されます。 突然変異の大部分はまれです。 突然変異の分布と頻度は異なる集団間で異なり、遺伝子スクリーニングとカウンセリングに影響を与えます。
CF患者全員の治療薬の発見は、疾患の原因となる変異の数が多いため複雑です。理想的には、すべての変異体に対応する細胞株と細胞ベースのアッセイのライブラリが、広範囲に活性のある薬剤候補をスクリーニングするために必要です。蛍光オリゴヌクレオチドシグナルプローブを含む細胞工学的手法を使用して、各変異体のクローン細胞株を検出および分離することができます。[30]
突然変異はCFTR遺伝子の置換、重複、欠失、短縮から成ります。その結果、タンパク質が機能しなくなったり、効率が低下したり、分解が早くなったり、数が不十分になったりすることがあります。[31]
CFTR遺伝子の変異はヘテロ接合性の個体に選択的優位性を与える可能性があるという仮説が立てられている。CFTRタンパク質の変異型を発現する細胞は腸チフスの原因菌であるチフス菌の侵入に抵抗性があり、変異CFTRの単一コピーを持つマウスはコレラ毒素による下痢に抵抗性がある。[32]
ヒトにおいて嚢胞性線維症および膵機能不全を引き起こす最も一般的な変異は以下の通りである: [33]
デルタF508
DeltaF508 ( ΔF508 )、フルネームはCFTRΔF508またはF508del-CFTR (rs113993960) で、CFTR 遺伝子内の特定の変異で、7 番染色体上の CFTR 遺伝子のアミノ酸位置 507 と 508 のコドンにまたがる3 つのヌクレオチドの欠失を伴い、最終的にアミノ酸フェニルアラニン(F)のコドンが 1 つ失われます。CFTRΔF508 変異を持つ人は、このフェニルアラニン残基を欠き、適切に折り畳まれない異常な CFTR タンパク質を生成します。この変異タンパク質のほとんどは、小胞体から逃れてさらに処理されることはありません。細胞膜に到達した少量は不安定化され、陰イオン チャネルが開く頻度は低くなります。この変異のコピーを2つ持つこと(両親から1つずつ受け継ぐ)は、嚢胞性線維症(CF)の最も一般的な原因であり、世界中の変異の約3分の2を占めています。[34]
効果
CFTRタンパク質は、膵臓、腸管および呼吸器上皮、およびすべての外分泌腺の細胞で主に発現しています。適切に折り畳まれると、細胞膜に運ばれ、そこで膜貫通タンパク質となり、細胞から塩化物イオンと重炭酸イオンを流出させる水性チャネルを形成します。また、同時に別のチャネルタンパク質によるナトリウムイオンの取り込みを阻害します。これらの機能は両方とも、浸透圧によって細胞から水を引き出すイオン勾配を維持するのに役立ちます。 [35] ΔF508変異は、CFTRの誤った折り畳みと、最終的にERでの分解につながります。変異の2つの相補体を持つ生物では、タンパク質は細胞膜からほぼ完全に欠如しており、これらの重要なイオン輸送機能は実行されません。[36]
ΔF508 変異を持つホモ接合遺伝子ペアを持つと、CFTR タンパク質が細胞膜内で正常な位置を占めることができなくなります。これにより、細胞内の水分保持が増加し、それに応じて細胞外空間が脱水し、身体のさまざまな部分に連鎖的な影響が生じます。これらの影響には、罹患臓器の上皮の粘膜が厚くなる、粘液が厚くなり粘液繊毛の自由な動きが阻害されることで狭い呼吸気道が閉塞する、胎児の発育中に粘液が厚くなることで精管が先天的に欠損する、粘液で膵管が閉塞することで膵機能不全になる、細菌が繁殖する栄養分を多く含んだ粘液が厚くなることで呼吸器感染症のリスクが増加する、などがあります。これらは遺伝性疾患である嚢胞性線維症の症状ですが、ΔF508 は、この疾患を引き起こす唯一の変異ではありません。[37]
ヘテロ接合 キャリア(ΔF508のコピーを1つ持つ)は、CFTRタンパク質の機能不全または欠如により細胞膜を横切る安定したイオン勾配を維持できないため、下痢中の水分喪失が減少する。影響を受けた細胞内では、Cl-イオンとNa +イオンの両方が典型的にヌクレオチド結合し、細胞外に低張液を作り、浸透圧によって水が細胞内に拡散する。いくつかの研究は、ヘテロ接合キャリアはさまざまな症状のリスクが高いことを示している。例えば、嚢胞性線維症のヘテロ接合性は気道反応性の増加と関連していることが示されており、ヘテロ接合性は肺機能低下のリスクがある可能性がある。喘鳴を伴うヘテロ接合性は、肺機能低下または慢性閉塞性肺疾患の発症および進行のリスクが高いことが示されている。嚢胞性線維症の遺伝子が1つあるだけで、感染がなくても軽度の肺異常を引き起こすのに十分である。[38]
機構
CFTR遺伝子は7番染色体の長腕のq31.2に位置し、最終的に1,480個のアミノ酸配列をコードします。通常、遺伝子の507番目の位置にある3つのDNA 塩基対ATC(反対鎖のTAGと対になる)は、イソロイシンのmRNAコドンAUCのテンプレートを形成し、隣接する508番目の位置にある3つのDNA塩基対TTT(AAAと対になる)は、フェニルアラニンのコドンUUUのテンプレートを形成します。[39] ΔF508変異は、位置507のCGペアと位置508の最初の2つのTAペアの欠失であり、位置507にDNA配列ATT(TAAと対になる)が残り、mRNAコドンAUUに転写されます。 AUUはイソロイシンもコードするため、位置507のアミノ酸は変化せず、変異の純粋な効果は、位置508のフェニルアラニンのコドンをもたらす配列の削除(「Δ」)と同等である。[40]
有病率
ΔF508 は、白人の約 30 人に 1 人の第 7 染色体の少なくとも 1 つのコピーに存在します。両方のコピーに突然変異が存在すると、常染色体劣性疾患である嚢胞性線維症を引き起こします。科学者は、最初の突然変異は 52,000 年以上前に北ヨーロッパで発生したと推定していますが、他の民族の嚢胞性線維症患者もこの突然変異を抱えていることが知られています。対立遺伝子年齢が若いのは、過去の選択の結果である可能性があります。本来は有害な突然変異が自然選択によって維持されてきた理由に関する 1 つの仮説は、1 つのコピーがコレラの際の水分喪失を減らすというプラスの効果をもたらす可能性があるというものです。ただし、病原性コレラ菌がヨーロッパに持ち込まれたのは18 世紀後半になってからでした。[41]別の理論では、 CFTRがチフス菌が腸上皮細胞に侵入するための受容体として働くことが示されているため、 CFキャリア(ΔF508のヘテロ接合体)はチフスに対してより抵抗性があると主張している。[42]
嚢胞性線維症ΔF508ヘテロ接合体は、喘息患者に多く見られ、非保因者よりも肺機能が悪い場合があります。[43] [44]嚢胞性線維症の単一変異の保因者は、一般人口よりも慢性副鼻腔炎の有病率が高いです。 [45]ヨーロッパの嚢胞性線維症症例の約50%は、ホモ接合ΔF508変異によるものです(地域によって大きく異なります)[46]一方、ΔF508の対立遺伝子頻度は約70%です。[47]残りの症例は、R117H、1717-1G>A、2789+56G>Aなど、1,500を超える他の変異によって引き起こされます。これらの変異が組み合わさったり、ΔF508の単一のコピーであっても、嚢胞性線維症の症状を引き起こす可能性があります。遺伝子型は CF の重症度と強く相関しているわけではありませんが、特定の症状は特定の変異に関連付けられています。
構造

CFTR遺伝子の長さは約189kbで、27のエクソンと26のイントロンがある。[48] CFTRは糖タンパク質で、体内の多くの上皮細胞の表面に見られる。[49] CFTRは5つのドメインで構成され、2つの膜貫通ドメイン、2つのヌクレオチド結合ドメイン、および調節ドメインを含む。[50]膜貫通ドメインはそれぞれ、細胞質内のヌクレオチド結合ドメイン(NBD)に接続されている。最初のNBDは、調節「R」ドメインによって2番目の膜貫通ドメインに接続されている。これはCFTRのユニークな特徴であり、タンパク質キナーゼA(PKA)の予測部位を19個運ぶ他のABCトランスポーターには存在しない。これらのうち6つは、生体内でリン酸化されることが報告されている。[51]イオンチャネルは、RドメインがPKAによってリン酸化され、 ATPがNBDに結合している場合にのみ開く。リン酸化により、NBDの二量体化と開口を妨げる位置から無秩序なRドメインが置換される。[52] [53]アミノ末端は、細胞膜に固定されるラッソモチーフの一部である。[51]タンパク質のカルボキシル末端は、PDZ相互作用ドメインによって細胞骨格に固定されている。[ 54 ]
場所と機能

CFTR遺伝子は、その遺伝子構成をコードする27のエクソンで構成され、7番染色体の長腕(q)の遺伝子座31.2に存在します。エクソンは、タンパク質構造のコードを提供するDNA断片です。[49] CFTRは リン酸化およびATP依存性陰 イオンチャネル として機能し、特定の陰イオン(Cl −など)が電気化学的勾配に沿って流れるための伝導性を高めます。 CFTRのATP駆動型構造変化によりゲートが開閉し、電気化学的勾配に沿って陰イオンが膜を貫通して流れるようになります。[5]これは、ATP駆動型構造変化が細胞膜を越えた基質の上り輸送を促進する他のABCタンパク質とは対照的です。 本質的に、CFTRは、開いた構造のときに漏れる「壊れた」 ABCトランスポーターとして進化したイオンチャネルです。
CFTR は、2 つの膜貫通ドメインを含む 5 つのドメインで構成され、各ドメインはヌクレオチド結合ドメインにリンクされています。CFTR には、調節ドメインと呼ばれる別のドメインも含まれています。ABC トランスポーター スーパーファミリーの他のメンバーは、原核生物での栄養素の摂取、または真核生物でのさまざまな基質の輸出に関与しています。ABC トランスポーターは、ATP 加水分解の自由エネルギーを細胞膜を横切る基質の上り坂の移動に変換するように進化しました。これらには 2 つの主要な立体配座があり、1 つは貨物結合部位が細胞質に面しているか内向き (ATP フリー) であり、もう 1 つは外向き (ATP 結合) です。ATP は各ヌクレオチド結合ドメインに結合し、その結果 NBD 二量体化が起こり、膜貫通ヘリックスの再配置が起こります。これにより、貨物結合部位のアクセス可能性が内向きの位置から外向きの位置に変更されます。 ATP結合とそれに続く加水分解により、貨物結合部位が交互に露出し、電気化学的勾配に逆らって貨物が一方向に輸送されるようになります。CFTRでは、内向きの構造と外向きの構造が交互に変化することで、チャネルゲーティングが起こります。特に、NBD二量体化(ATP結合によって促進される)は、陰イオンの開いた膜貫通経路が形成される外向きの構造への遷移と連動しています。[55]その後の加水分解(NBD2のウォーカーモチーフを含む標準的な活性部位である部位2で)により、NBD二量体が不安定になり、陰イオン透過経路が閉じられた内向きの構造に戻るようになります。[5]
臨床的意義
CFTR遺伝子の変異は、嚢胞性線維症の重症度にさまざまな影響を及ぼす可能性があります。一般的な症状としては、慢性肺感染症、膵機能不全、汗中の塩化物濃度の上昇などがあります。CFTRモジュレーターなどの変異特異的治療法は、これらの特定の遺伝子欠陥に対処するために開発されています。[56]
インタラクション
嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子は、以下と相互作用することが示されています。
下痢止め薬クロフェレマーによって阻害されます。
関連する症状
- 先天性両側精管欠損症: 先天性両側精管欠損症の男性では、ほとんどの場合、CFTR 遺伝子の 1 つのコピーに軽度の突然変異(遺伝子の部分的な機能を可能にする変化) があり、CFTR のもう 1 つのコピーに嚢胞性線維症を引き起こす突然変異があります。
- 嚢胞性線維症:CFTR遺伝子には1,800以上の変異が見つかっていますが[70]、そのほとんどは嚢胞性線維症とは関連がありません。[71]これらの変異のほとんどは、 CFTRタンパク質内の1つのアミノ酸(タンパク質の構成要素)を別のアミノ酸に置き換えるか、CFTR遺伝子内の少量のDNAを削除します。最も一般的な変異はΔF508と呼ばれ、CFTRタンパク質の位置508にある1つのアミノ酸(フェニルアラニン)の欠失(Δ)です。この変化したタンパク質は生成後すぐに分解されるため、細胞膜に到達することはありません。CFTR遺伝子の病気を引き起こすすべての変異は、チャネルが正常に機能することを妨げ、細胞内外の塩分と水の移動を妨げます。この閉塞の結果、肺、膵臓、その他の臓器の通路の内側を覆う細胞は、異常に濃厚で粘着性のある粘液を生成します。この粘液は気道と腺を塞ぎ、嚢胞性線維症の特徴的な兆候と症状を引き起こします。さらに、繊毛で除去できるのは薄い粘液のみで、濃い粘液は除去できないため、細菌を閉じ込めて慢性感染症を引き起こします。
- コレラ:コレラ毒素によるADPリボシル化により環状AMPの産生が増加し、CFTRチャネルが開き、Cl -の過剰分泌につながります。Na +とH 2 OはCl -に続いて小腸に入り、脱水と電解質の喪失を引き起こします。[72]
薬物ターゲット
CFTRは、関連疾患の治療法を見つけるための取り組みにおいて、薬物ターゲットとなっている。イバカフター(商品名カリデコ、開発名VX-770)は、特定のCFTR変異を持つ嚢胞性線維症患者を対象に、2012年にFDAによって承認された薬である。 [73] [74]イバカフターは、嚢胞性線維症財団と共同でバーテックス・ファーマシューティカルズ社によって開発され、病気の症状ではなく根本的な原因を治療する初の薬である。[75]「2012年で最も重要な新薬」[76]「奇跡の薬」[77]と呼ばれ、最も高価な薬の1つであり、年間30万ドル以上かかるため、バーテックス社は高額であると批判されている。
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